智能傳感與檢測技術 教案 第10章 智能傳感器

《智能傳感與檢測技術》課程教案授課章節(jié)第10章智能傳感器10.1智能傳感器概述10.2智能圖像傳感器建議課時2授課方式理論知識講授+提問討論+多媒體演示所屬專業(yè)教學目標1.理解智能傳感器的概念、功能、實現(xiàn)方式2.掌握CCD圖像傳感器的工作原理3.理解CMOS圖像傳感器組成與技術參數(shù)4.了解CIS圖像傳感器5.了解圖像傳感器的應用教學重點1.智能傳感器的概念、功能、實現(xiàn)方式2.CCD圖像傳感器的工作原理3.CMOS圖像傳感器組成與技術參數(shù)教學難點1.CCD圖像傳感器的工作原理2.CMOS圖像傳感器組成與技術參數(shù)參考教材《智能傳感與檢測技術》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』智能傳感器系統(tǒng)是一門現(xiàn)代綜合技術，是當今世界正在迅速發(fā)展的高新技術。智能傳感器的功能是通過模擬人的感官和大腦的協(xié)調(diào)動作，結合長期以來智能測試技術的研究和實際經(jīng)驗而提出來的。傳感器智能化的發(fā)展有兩個方向：一個方向是傳感器與微處理器相結合；另一個方向是傳感器與人工智能技術相結合?！菏谡n內(nèi)容』10.1智能傳感器概述10.1.1智能傳感器的概念智能傳感器的概念及雛形是美國宇航局在開發(fā)宇宙飛船的過程中形成的。宇宙飛船需要大量的傳感器檢測飛船的狀態(tài)（如溫濕度、氣壓、速度、加速度和姿態(tài)等）。人類大腦根據(jù)積累的知識、經(jīng)驗對環(huán)境進行推理判斷，做出相應反應，如圖10-1所示。智能傳感器與人類智能相類似，其傳感器相當于人類的感知器官，其微處理器相當于人類大腦，可進行信息處理、邏輯思維與推理判斷，存儲設備存儲“知識、經(jīng)驗”與采集的有用數(shù)據(jù)，如圖10-2所示為智能傳感器的結構。10.1.2智能傳感器的功能智能傳感器引入了微處理器進行信息處理、邏輯思維、推理判斷，使其除了具有傳統(tǒng)傳感器的檢測功能外，還具有數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)通信等功能，其功能已經(jīng)延伸至儀器的領域。10.1.3智能傳感器的實現(xiàn)方式智能傳感器也種類繁多，如智能溫度傳感器、智能壓力傳感器、智能流量傳感器等。盡管各種智能傳感器功能各不相同，但是智能傳感器有著相類似的實現(xiàn)方式，具體分為以下3種實現(xiàn)方式。模塊化方式集成化方式混合方式10.1.4智能傳感與檢測技術10.2智能圖像傳感器10.2.1CCD圖像傳感器1.CCD的工作原理電荷耦合器件的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號。所以CCD的的基本功能是存儲和轉(zhuǎn)移電荷。它存儲由光或電激勵產(chǎn)生的信號電荷，當對它施加特定時序的脈沖時，其存儲的信號電荷便能在CCD內(nèi)作定向傳輸。CCD工作過程中的主要問題是信號電荷的產(chǎn)生（將光轉(zhuǎn)換成信號電荷）、存儲（存儲信號電荷）、傳輸（轉(zhuǎn)移信號電荷）和檢測（將信號電荷轉(zhuǎn)換成電信號）。CCD的工作原理如圖10-7所示。2.CCD的分類按照像素排列方式的不同，CCD又可分為線陣（Linear）與面陣（Area）兩大類，如圖10-11所示。其中線陣應用于影像掃瞄器及傳真機上，而面陣主要應用于工業(yè)相機、數(shù)碼相機、攝錄影機、監(jiān)視攝影機等多項影像輸入產(chǎn)品上。1）線陣CCD2）面陣CCD3.CCD圖像傳感器的性能指標衡量CCD好壞的指標很多，如像素數(shù)、幀率、靶面尺寸、感光度、電子快門和信噪比等。其中，像素數(shù)和靶面尺寸是重要的指標。10.2.2CMOS圖像傳感器1.CMOS的組成CNOS的主要組成部分是像敏單元陣列和MOS效應管集成電路，而且這兩部分是集成在同一硅片上的。像敏單元陣列由光電二極管陣列構成。圖10-15所示的像敏單元陣列按X和Y方向排列成方陣，方陣中的每一個像敏單元都有它在X、Y方向上的地址，并可分別由兩個方向的地址譯碼器進行選擇，輸出信號送A/D轉(zhuǎn)換器進行模／數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號輸出。2.CMOS的技術參數(shù)了解CCD和CMOS芯片的成像原理和主要參數(shù)對產(chǎn)品的選型非常重要。同樣，相同的芯片經(jīng)過不同的設計制造出的相機，性能也可能有所不同。3.CCD圖像傳感器與CMOS圖像傳感器的區(qū)別10.2.3CIS圖像傳感器除了CCD和CMOS圖像傳感器外，還有一種常用的圖像傳感器，叫接觸式圖像傳感器（CIS)。CIS圖像傳感器被用在掃描儀中，是將感光單元緊密排列，直接收集被掃描稿件反射的光線信息，由于本身造價低廉，又不需要透鏡組，所以可以制作出結構更為緊湊的掃描儀，使成本大大降低。但是，由于是接觸式掃描（必須與原稿保持很近的距離）只能使用LED光源，分辨率以及色彩表現(xiàn)目前都趕不上CCD感光器件。掃描儀外形圖如圖10-17所示。掃描儀內(nèi)部結構圖如圖10-18所示。10.2.4圖像傳感器的應用1.CCD圖像傳感器在數(shù)碼速印機的應用2.CMOS圖像傳感器的應用【多媒體演示】多媒體課件見教材配套教學PPT『課堂小結』CCD圖像傳感器與CMOS圖像傳感器是被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用光電二極管進行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)的。CCD圖像像傳感器與CMOS圖像傳感器器的主要差異是數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞讲煌?。CCD圖像傳感器中每一行中每一個像素的電荷數(shù)據(jù)都會依次傳送到下一個像素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進行放大輸出。而在CMOS圖像傳感器中，每個像素都會鄰接一個放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。『作業(yè)布置』P101頁一、填空題1、2、3二、綜合題1、2、3、4『教學后記』授課章節(jié)第10章智能傳感器10.3智能生物傳感器10.4模糊傳感器10.5多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)10.6微傳感器建議課時2授課方式理論知識講授+提問討論+多媒體演示所屬專業(yè)教學目標1.掌握生物傳感器和生物芯片2.理解模糊傳感器3.理解多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)4.了解微傳感器教學重點1.生物傳感器和生物芯片2.模糊傳感器3.多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)教學難點1.生物傳感器和生物芯片2.模糊傳感器3.多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)參考教材《智能傳感與檢測技術》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學內(nèi)容『新課導入』智能生物傳感器、模糊傳感器、微傳感器在發(fā)酵工藝、環(huán)境監(jiān)測、食品工程、臨床醫(yī)學、軍事及軍事醫(yī)學等方面得到了深度重視和廣泛應用。隨著社會的進一步信息化，生物傳感器必將獲得越來越廣泛的應用?！菏谡n內(nèi)容』10.3智能生物傳感器10.3.1生物傳感器概述生物傳感器一般是在基礎傳感器上再耦合一個生物敏感膜，也就是說生物傳感器是半導體技術與生物工程技術的結合。生物敏感物質(zhì)附著于膜上或包含于膜之中，溶液中被測定的物質(zhì)，經(jīng)擴散作用進入生物敏感膜層，經(jīng)分子識別，發(fā)生生物學反應，所產(chǎn)生的信息可通過相應的化學或物理換能器轉(zhuǎn)變成可定量和可顯示的電信號，就可知道被測物質(zhì)的濃度。1.葡萄糖傳感器2.酶傳感器3.微生物傳感器4.免疫傳感器5.半導體生物傳感器10.3.2生物芯片生物芯片的模樣五花八門，外觀五彩斑斕。有的和計算機芯片一樣規(guī)矩、方正，有的是一排排微米級圓點或一條條的蛇形細槽，還有的是一些不同形狀頭發(fā)粗細的管道和針孔大小的腔體。圖10-26所示為一種生物芯片的外觀結構圖。10.3.3智能生物傳感器1.智能生物傳感器概述近年來，受生物科學、信息科學和材料科學發(fā)展的推動，智能生物傳感器技術飛速發(fā)展。未來的智能生物傳感器將進一步應用在醫(yī)療保健、疾病診斷、食品檢測、環(huán)境監(jiān)測、發(fā)酵工業(yè)等各個領域。2.智能生物傳感器的應用智能生物傳感器的研究開發(fā)，已成為世界科技發(fā)展的新熱點。智能生物傳感器在國民經(jīng)濟的各個部門如食品、制藥、化工、臨床檢驗、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測等部門有廣泛的應用前景。在科學技術快速發(fā)展的今天，分子生物學與微電子學、光電子學、微細加工技術及納米技術等新學科、新技術結合，正改變著傳統(tǒng)醫(yī)學、環(huán)境科學動植物學的面貌。1）智能生物傳感器在食品分析中的應用2）智能生物傳感器在環(huán)境測量中的應用3）智能智能生物傳感器在發(fā)酵中的應用4）智能生物傳感器在醫(yī)學與健康領域中的應用10.4模糊傳感器10.4.1模糊傳感器概述模糊傳感器是在20世紀80年代末出現(xiàn)的術語，當時有學者提出一種超聲模糊傳感器，其描述距離測量結果為“遠”、“近”等自然語言。傳統(tǒng)傳感器是數(shù)值傳感器，它以定量數(shù)值來描述被測量的狀態(tài)。10.4.2模糊傳感器的結構模糊傳感器的邏輯結構如圖10-30所示，主要由信號檢測與處理單元、數(shù)值／符號轉(zhuǎn)換10.5多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)10.5.1多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)概述多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)包含多傳感器融合和數(shù)據(jù)融合。多傳感器融合是指多個基本傳感器空間和時間上的復合設計和應用，常稱多傳感器復合。多傳感器融合能在極短時間內(nèi)獲得大量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多路傳感器的資源共享，提高系統(tǒng)的可靠性和寬容性。10.5.2多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的流程10.6微傳感器10.6.1微傳感器概述微機電系統(tǒng)(MicroElectro-MechanicalSystems，簡稱為MEMS)，專指外形輪廓尺寸在毫米級以下，構成它的機械零件和半導體元器件尺寸在微米至納米級，可對聲、光、熱、磁、壓力、運動等自然信息進行感知、識別、控制和處理的微型機電裝置，是融合了硅微加工、光刻鑄造成形和精密機械加工等多種微加工技術制作的系統(tǒng)。10